鐘樓的始建之年應上推至元代。元大都時期這裡是萬寧寺的中心閣，閣內懸鐘，故稱鐘樓。據《析津志》載：「鐘樓……至元中建，閣四阿、檐三重，懸鐘於上…… 」。 明永樂年間，改造北京內城，在營繕宮闕的同時，於中心閣舊址建鐘樓，所以《明一統志》載：「鐘樓，明永樂十八年(1420)建。」又載：「後亟於火。」 現在的鐘樓按《日下舊聞考》記載始建於乾隆十年(1745)，乾隆十二年(1747)落成。將整座建築改為磚石結構。
鐘樓為單體磚石結構，樓體建於磚石臺基上。黑琉璃瓦綠剪邊重檐歇山頂，通高47.95米，樓體高33米，檐下為仿木單昂單翹五踩斗拱。底座東南西北四面各有一座拱券式大門，內部東側筑有75級石階直達二樓。二樓四周筑有城垛，每面各有一座拱券門，門左右各有一石雕窗，四周有漢白玉石護欄，望柱高16米。
樓內原懸有永樂年間（ 1403-1424 ）鑄的大鐵鐘，鐵鐘今存大鐘寺古鐘博物館。後改懸有永樂年題款厚約 27 厘米的銅鐘。報時的巨大銅鐘，即懸於樓中央八角形木框架上。
鐘樓內所懸銅鐘，鑄於明永樂年間鑄鐘廠。由於其體積龐大且極沈重，對數據測量，增加困難，故歷來記載不盡相同。今人對大鐘進行實測後，所得數字記載如下：鐘體通高5.55米，加鐘鈕總高7.02米；下沿直徑3.40米，頂部直徑2.52米，壁原0.12米(上部)-- 0.245米(下唇)；總重量約63噸。在鐘西邊吊一根長2米，逕約0.25米的圓木為撞鐘木，木下有台階。鐘北面鑄有「大明永樂吉日」字樣。按其重量說，此鐘為我國最重之鐘。據專家介紹，如此碩大而且品質優良的青銅鐘，即使在今日也很難鑄成的。
相傳鑄造這口銅鐘時，久鑄不成，一個姓鄧的匠人的女兒怕其父延誤工期獲罪，跳入治銅爐中以期感動鐘神，陰助其父。其父搶救不及，只抓回一隻繡花鞋。後人為她孝心所感，尊她為「鑄鐘娘娘」。大鐘鑄成後，聲音宏亮，只是風雨之夕，鐘聲略帶幾分淒厲，猶如「鞋鞋」之聲，相傳是鑄鐘娘娘在索要她的繡花鞋。
敲鐘報時時，銅鐘聲音純厚綿長、圓潤宏亮，京城內外方圓十數里均可聽到。當時報時規則如下： 每晚戌正時(晚7時)撞鐘報時，稱「定更」。每晨寅時(早5點)再次撞鐘稱「亮更」。清代乾隆以前鐘樓晝夜報時，晝間正午鳴鐘，夜間則報五個更次。乾隆之後才改為只報晨昏二次。屆時由兩名更夫分別登上鐘、鼓樓，並把手中的「孔明燈」遙遙對照一下，互通信號，然後各自擊鼓鳴鐘。擊鼓時，先慢打18下，稍快打 18下，再快打18下，照樣反覆打兩次，共計108下，即所謂「緊十八、緩十八、六遍湊成一百八」。在第二次快打的最後一下，要有一個停頓，這是告訴敲鐘人作準備，隨之鐘聲便飛揚出去。敲鐘的次數和擊鼓相同。在「定更」和「亮更」(或稱"亮鼓")之間，每隔半個時辰還要敲鐘一下，亦是報時之意。
據碑文記載：「都城內外十有餘裡，莫不從聽。 」這尊銅鐘最後一次撞響，是在 1924年，清朝末代皇帝溥儀搬出皇宮時。自此銅鐘一直沉寂無聲。
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